KR20180068058A

KR20180068058A - 연료전지 시스템 및 연료전지 스택 하우징

Info

Publication number: KR20180068058A
Application number: KR1020160169639A
Authority: KR
Inventors: 유정한; 허용석; 김덕환; 정귀성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2018-06-21
Also published as: KR102496639B1; US20180166731A1; US10424807B2

Abstract

연료전지 시스템은, 공기극과 연료극을 구비하는 연료전지 스택, 내부에 중공이 형성되고, 중공에 연료전지 스택을 수용하는 스택 하우징, 공기극으로 공기를 공급하기 위해 공기를 압송하는 공기 압축기, 공기 압축기의 입구 측과 중공을 연결하는 통풍관 및 스택 하우징의 외벽에 구비되어 중공과 스택 하우징의 외부를 통하게 하는 적어도 하나의 통공을 포함하고, 공기 압축기의 작동에 따라 발생하는 공기 압축기의 입구 측의 압력 저하에 의해, 스택 하우징의 외부의 공기가 통공, 중공, 통풍관을 통과하여 공기 압축기의 입구 측으로 흡입되면서 스택 하우징의 내부가 통풍된다.

Description

연료전지 시스템 및 연료전지 스택 하우징{FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL STACK HOUSING}

본 발명은 연료전지 시스템 및 연료전지 스택 하우징에 관한 것이다.

연료전지는 탄화수소 또는 수소 연료에 저장된 화학 에너지를 공기와의 전기화학 반응을 통해 전기에너지로 변환하는 장치이다. 자동차 등에 이용되는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)는 고분자를 전해질로 사용하는 연료전지이며, 100℃ 이하에서 운전된다. 연료전지 스택의 연료극(Anode)에서 생산된 수소이온은 전해질을 통해서 공기극(Cathode)으로 이동하고, 공기극에서 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다.

이때 연료전지 스택은 스택 하우징 내부에 수용되어 있을 수 있고, 연료전지 스택은 내부와 외부가 서로 차단되어 내부의 물질이 외부로 새어나오지 않도록 구성되어 있다. 그러나, 일부 수분 및 수소가 연료전지 스택의 외부로 새어나와 스택 하우징 내에 축적되는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 연료전지 스택에서 전기를 발생시키는 과정은 발열반응이고, 이에 따라 스택 하우징의 내외부에 온도차가 발생하여, 스택 하우징의 내부에 수분이 응축될 가능성도 있다.

스택 하우징의 내부에 수분이 응축되면 연료전지 스택의 부품이 부식될 우려가 있다. 따라서, 연료전지 스택에서 수분 생성을 저감시키는 것이 가능한 연료전지 시스템이 요구되는 실정이다.

본 발명의 일 과제는 내부에 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있는 연료전지시스템 및 연료전지 스택 하우징을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 과제는 내부로 수분 및 이물질이 유입되는 것을 방지하여 스택 내부에 수분이 응축되는 것을 방지하고, 연료전지 시스템의 운전 시 부품의 손상을 방지할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.

일 예에서, 연료전지 시스템은, 공기극과 연료극을 구비하는 연료전지 스택, 내부에 중공이 형성되고, 중공에 연료전지 스택을 수용하는 스택 하우징, 공기극으로 공기를 공급하기 위해 공기를 압송하는 공기 압축기, 공기 압축기의 입구 측과 중공을 연결하는 통풍관 및 스택 하우징의 외벽에 구비되어 중공과 스택 하우징의 외부를 통하게 하는 적어도 하나의 통공을 포함하고, 공기 압축기의 작동에 따라 발생하는 공기 압축기의 입구 측의 압력 저하에 의해, 스택 하우징의 외부의 공기가 통공, 중공, 통풍관을 통과하여 공기 압축기의 입구 측으로 흡입되면서 스택 하우징의 내부가 통풍된다.

다른 예에서, 연료전지 시스템은, 스택 하우징의, 통공이 구비된 위치와 대응되는 위치에 결합된 통풍 필터를 더 포함하고, 통풍 필터는, 액체 및 이물질이 스택 하우징의 외부로부터 중공으로 유입되는 것을 방지 가능할 수 있다.

또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 외부의 공기가 중공을 통과하면서 연료전지 스택을 지나가기 위해, 통풍관과 통공은, 연료전지 스택을 사이에 두고 반대편에 위치할 수 있다.

또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 공기 압축기의 입구 측과 중공을 연결하는 적어도 하나의 분기관과, 중공과 분기관 사이에 마련되어 분기관과 중공 사이의 통로를 개폐하는 통풍 밸브를 더 포함하고, 통풍 밸브는, 공기 압축기가 작동하지 않으면 통로를 개방하고, 공기 압축기가 작동하면 통로를 폐쇄할 수 있다.

또 다른 예에서, 통풍 밸브는, 공기 압축기의 작동에 따라 발생하는 공기 압축기의 입구 측의 압력 저하에 의해 분기관을 향하는 방향으로 이동되어 통로를 폐쇄하는 폐쇄부와, 공기 압축기가 작동하지 않으면 폐쇄부를 분기관을 향하는 방향의 반대방향으로 이동시켜 통로를 개방시키는 복원부를 포함할 수 있다.

또 다른 예에서, 폐쇄부는, 분기관의 폭보다 큰 폭을 가지는 평판 형상의 이동부재, 이동부재에서 분기관을 향하는 방향으로 연장된 피가압부재 및 이동부재의 분기관 측 면 또는 스택 하우징의 내면 중 이동부재가 분기관을 향하는 방향으로 이동했을 때 이동부재와 만나는 영역에 형성되어 통로를 차단하는 차단부재를 더 포함할 수 있다.

또 다른 예에서, 복원부는, 공기 압축기가 작동하면 피가압부재가 분기관을 향하는 방향으로 이동함에 따라 압축되고, 공기 압축기가 작동하지 않으면 복원되며 피가압부재를 분기관을 향하는 방향의 반대방향으로 이동시키는 탄성부재와, 분기관의 내부에 형성되어 탄성부재를 지지하는 지지부재를 더 포함할 수 있다.

또 다른 예에서, 통풍 필터는, 액체는 통과하지 못하되 기체는 통과 가능한 필터부재와, 필터부재를 고정시키는 프레임을 포함하고, 필터부재는, 주름진 형상으로 형성되며, 프레임은, 프레임의 스택 하우징 측 테두리를 따라 결합되어 프레임의 스택 하우징 측 면과 스택 하우징의 외면 사이로 이물질이 유입되는 것을 방지하는 실링부재를 포함할 수 있다.

또 다른 예에서, 통풍 필터는, 프레임에 결합되며 필터부재가 외부로 노출되는 것을 차단하는 커버를 더 포함하고, 커버는, 공기가 유입되는 유입구와, 유입구의 형성 위치에 대응되는 위치에서, 유입구보다 커버의 내측으로 소정 간격 이격되게 마련되어 유입구로 유입되는 액체 또는 이물질의 이동 경로를 차단하는 가림막을 포함할 수 있다.

또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 공기 압축기의 입구 측에 구비되고, 공기 압축기로 공급되는 공기에 포함된 이물질 제거하는 공기 필터를 더 포함하고, 통풍관은, 중공과 공기 필터의 입구 측을 연결할 수 있다.

또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 스택 하우징의 내부에 구비되어, 중공에 존재하는 수소의 농도를 측정하는 수소 측정 센서와, 공기 압축기의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하고, 제어부는, 수소 측정 센서에 의해 측정된 수소의 양이 기준 값을 초과하면, 스택 하우징의 내부를 통풍시켜 중공에 존재하는 수소를 제거하기 위해, 공기 압축기가 작동되도록 제어할 수 있다.

또 다른 예에서, 연료전지 스택 하우징은, 내부에 연료전지 스택을 수용하기 위한 중공을 포함하는 본체, 본체에 구비되고, 연료전지 스택으로 공기를 공급하기 위한 공기 압축기의 입구 측과 중공을 연결하는 통풍관이 연결되는 제1 구멍 및 본체에 구비되고, 중공과 외부를 통하게 하는 통공을 포함하고, 공기 압축기의 작동에 따라 발생하는 공기 압축기의 입구 측의 압력 저하에 의해, 본체의 외부의 공기가 통공, 중공, 제1 구멍을 통해 공기 압축기의 입구 측으로 흡입되면서 내부가 통풍된다.

또 다른 예에서, 연료전지 스택 하우징은, 공기 압축기의 입구 측과 중공을 연결하는 적어도 하나의 분기관이 연결되는 제2 구멍과, 제2 구멍을 개폐하는 통풍 밸브를 더 포함하고, 통풍 밸브는, 공기 압축기가 작동하지 않으면 제2 구멍을 개방하고, 공기 압축기가 작동하면 제2 구멍을 폐쇄할 수 있다.

본 발명에 의하면 스택 하우징의 내부가 외부 공기에 의해 통풍될 수 있도록 하여 스택 하우징 내부에 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 연료전지의 운전이 정지된 경우에도 스택 하우징의 내부가 외부 공기에 의해 통풍될 수 있어서 스택 하우징 내부의 수분이 응축되는 것을 방지하고, 내부에 쌓인 수소를 외부로 배출시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템이 작동하는 상태를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템이 정지된 상태를 나타내는 구성도이다.
도 3는 본 발명의 통풍 필터를 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 통풍 필터를 A-A 선을 따라 자른 단면에 대한 평면도이다.
도 5는 도 3의 통풍 필터를 B-B 선을 따라 자른 단면에 대한 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템이 작동하는 상태를 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템이 정지된 상태를 나타내는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 통풍 밸브가 분기관을 폐쇄한 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 통풍 밸브가 분기관을 개방한 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 3에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해서 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

실시예 1

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템이 작동하는 상태를 나타내는 구성도이다. 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템이 정지된 상태를 나타내는 구성도이다. 이하에서는 도 1, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템에 대해 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(10), 스택 하우징(20), 공기 압축기(30), 통풍관(40), 통공(50)을 포함한다.

연료전지 스택(10)은 공기극(미도시)과 연료극(미도시)을 구비한다. 연료극으로 공급된 수소연료와 공기극으로 공급된 공기가 반응하여 전기를 생성할 수 있다.

스택 하우징(20)은 내부에 중공(25)을 형성한다. 내부의 중공(25)에는 연료전지 스택(10)이 수용된다. 스택 하우징(20)은 연료전지 스택(10)으로 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있다.

통풍관(40)은 공기 압축기(30)의 입구 측과 중공(25)을 연결한다. 통풍관(40)은 본체에 구비된 제1 구멍(미도시)에 연결된다. 그리고 통공(50)은 스택 하우징(20)의 외벽에 구비되어, 중공(25)과 스택 하우징(20)의 외부를 통하게 한다. 통공(50)은 복수 개 구비될 수 있다.

이와 같은 구성을 통해, 스택 하우징(20)의 내부에 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있다. 먼저 연료전지 시스템이 작동하고 있을 때 스택 하우징(20)의 내부에 수분이 응축되는 것이 방지되는 과정에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

공기 압축기(30)는 공기극으로 공기를 공급하기 위해 공기를 압송한다. 공기 압축기(30)가 작동되면 공기 압축기(30)의 흡입력에 의해 공기 압축기(30)의 입구 측 압력은 저하된다. 공기 압축기(30)의 입구 측 압력이 저하되면, 스택 하우징(20)의 외부의 공기가 공기 압축기(30)의 입구 측으로 흡입될 수 있다.

보다 구체적으로 통풍관(40)(제1 구멍), 중공(25), 통공(50) 및 스택 하우징(20)의 외부는 서로 통하고 있기 때문에, 공기 압축기(30)의 입구 측 압력이 저하되면 스택 하우징(20)의 외부의 공기는 통공(50), 중공(25), 통풍관(40)(제1 구멍)을 통과하여 공기 압축기(30)의 입구 측으로 흡입될 수 있다.

이때 중공(25)을 통과하는 공기는 스택 하우징(20)의 내부를 통풍시킬 수 있고, 스택 하우징(20) 내부에 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있다. 통공(50)의 개수가 많아지면 유입되는 공기도 증가할 수 있으므로, 스택 하우징(20)의 내부에 복수 개의 통풍이 형성될 수 있다.

이때 통풍관(40)과 통공(50)은, 연료전지 스택(10)을 사이에 두고 반대편에 위치할 수 있다. 중공(25)으로 유입된 공기는 통공(50)과 통풍관(40) 사이를 가로질러 유동하기 때문에, 공기가 유동하는 경로에 연료전지 스택(10)이 위치하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 통풍관(40)과 통공(50)이 연료전지 스택(10)을 사이에 두고 반대편에 위치하게 하여, 외부의 공기가 중공(25)을 통과하면서 연료전지 스택(10)을 지나가게 할 수 있다.

이와 같은 구성을 통해, 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템이 작동할 때, 스택 하우징(20) 내에 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 스택 하우징(20) 내의 통풍을 위해 공기극으로 공급되던 공기가 아닌, 스택 하우징(20) 외부의 공기를 흡입하여 이용하기 때문에 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기의 유량도 감소하지 않아 연료전지 스택(10)의 성능이 저하되지 않을 수 있다.

다음으로 연료전지 시스템이 정지한 상태일 때 스택 하우징(20)의 내부에 수분이 응축되는 것이 방지되는 과정에 대해 설명한다.

도 2과 같이 연료전지 시스템이 정지하여 공기 압축기(30)의 작동도 멈추면, 통공(50), 중공(25), 통풍관(40)을 통해 공기 압축기(30)의 입구 측으로 유동하던 공기의 흐름이 사라진다.

그러나, 통공(50)을 통해 스택 하우징(20)의 외부와 내부 사이로 공기가 유동할 수 있고, 또한, 통풍관(40)을 통해서도 외부의 공기가 스택 하우징(20)의 내부의 중공(25)으로 유입될 수 있다. 따라서 스택 하우징(20)의 내부는 통풍될 수 있고, 내부에 수분이 응축되는 것이 방지될 수 있다.

한편, 스택 하우징(20)은 외부로부터 이물질 또는 액체가 연료전지 스택(10)으로 유입되는 것을 방지하기 위한 것으로, 통풍을 위해 외부의 공기가 중공(25)으로 유입될 때도 액체 및 이물질이 유입되는 것을 방지할 필요가 있다.

이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 통풍 필터(60)를 더 포함할 수 있다. 도 3는 본 발명의 통풍 필터를 나타내는 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 통풍 필터를 A-A 선을 따라 자른 단면에 대한 평면도이다. 도 5는 도 3의 통풍 필터를 B-B 선을 따라 자른 단면에 대한 측면도이다.

이하에서는 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 통풍 필터(60)에 대해 구체적으로 설명한다.

통풍 필터(60)는 스택 하우징(20)의, 통공(50)이 구비된 위치와 대응되는 위치에 결합될 수 있다. 통풍 필터(60)는 액체 및 이물질이 스택 하우징(20)의 외부로부터 중공(25)으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 통풍 필터(60)는, 필터부재(61), 프레임(63), 실링부재(65) 및 커버(67)를 포함할 수 있다.

필터부재(61)는 액체는 통과하지 못하되 기체는 통과 가능하게 할 수 있다. 그리고 이때 통과하지 못한다는 것은, 실질적으로 일부 통과될 수는 있겠지만 대부분의 액체는 통과되지 못하고 필터링 된다는 것을 말한다.

필터부재(61)는 이물질의 유입도 방지할 수 있다. 따라서 필터부재(61)를 지나는 유체 중 액체 및 이물질은 중공(25)으로 유입되지 못하고, 공기 또는 습윤 공기만 중공(25)으로 유입될 수 있다.

필터부재(61)는 주름진 형상으로 형성될 수 있다. 필터부재(61)가 주름진 형상으로 형성되면, 필터부재(61)와 필터부재(61)를 통과하는 기체 사이의 접촉 면적이 넓어짐으로써 보다 많은 양의 기체가 중공(25)으로 유입될 수 있다. 또한 이물질 및 액체도 보다 넓은 면적에서 필터링될 수 있어 연료전지 스택(10)의 수명이 연장될 수 있다.

프레임(63)은 필터부재(61)를 고정시킬 수 있다. 프레임(63)은 필터부재(61)를 고정시킨 상태로 스택 하우징(20)에 결합되어 통공(50)으로 유입되는 유체가 필터부재(61)를 지나도록 할 수 있다.

이때 프레임(63)은 실링부재(65)를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 실링부재(65)는 프레임(63)의 스택 하우징(20) 측 테두리를 따라 결합될 수 있다. 실링부재(65)는, 프레임(63)의 스택 하우징(20) 측 면과 스택 하우징(20)의 외면 사이로 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있다.

커버(67)는 프레임(63)에 결합되며, 필터부재(61)가 외부로 노출되는 것을 차단할 수 있다. 즉, 이물질 등이 필터부재(61)로 유입되는 것을 직접적으로 차단할 수 있다.

그리고 커버(67)는 공기가 유입되는 유입구(68)를 포함하여, 프레임(63)과 커버(67)가 결합되었을 때 통풍 필터(60)로 공기가 유동할 수 있도록 할 수 있다. 이때 유입구(68)는 커버(67)의 어느 일 측에만 구비될 수 있다. 예를 들어 도 3 내지 도 5에 도시된 것과 같이, 커버(67)의 도면 상 하단 측에만 구비되어, 이물질 및 액체의 유입은 최소화하고, 기체의 유입은 가능한 정도로 구비될 수 있다.

또한, 커버(67)는 가림막(69)을 더 포함할 수 있다. 가림막(69)은 유입구(68)의 형성 위치에 대응되는 위치에서, 유입구(68)보다 커버(67)의 내측으로 소정 간격 이격되게 마련될 수 있다. 가림막(69)은 유입구(68)로 유입된 액체 또는 이물질의 이동 경로를 차단할 수 있다.

즉, 유입구(68)의 간격을 좁혀 일차적으로 액체 또는 이물질의 유입을 방지하고, 유입구(68)로 액체 또는 이물질이 유입되더라도 가림막(69)이 유입된 액체 또는 이물질의 이동경로를 이차적으로 차단하여, 보다 확실하게 액체 및 이물질의 유입을 차단할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템은, 외부로부터 액체 및 이물질이 걸러진 상태의 유체가 통공(50) 또는 통풍 필터(60)를 통해 스택 하우징(20)의 내부로 유입될 수 있고, 유입된 공기는 스택 하우징(20)의 내부를 통풍시킴으로써 스택 하우징(20)의 내부에 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있다.

실시예 2

도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템이 작동하는 상태를 나타내는 구성도이다. 도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템이 정지된 상태를 나타내는 구성도이다. 도 8은 본 발명의 통풍 밸브가 분기관을 폐쇄한 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 9는 본 발명의 통풍 밸브가 분기관을 개방한 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다. 이하에서는 도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템에 대해 설명한다.

본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템은 적어도 하나의 분기관(70)과 통풍 밸브(90)를 더 포함할 수 있다.

분기관(70)은 공기 압축기(30)의 입구 측과 중공(25)을 연결할 수 있다. 분기관(70)은 본체에 구비된 제2 구멍(미도시)에 연결된다.

통풍 밸브(90)는 중공(25)과 분기관(70) 사이에 마련되어 분기관(70)(제2 구멍)을 개폐할 수 있다. 공기 압축기(30)가 작동하지 않으면 분기관(70)을 개방하고, 공기 압축기(30)가 작동하면 분기관(70)을 폐쇄할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 6과 같이 연료전지 시스템이 작동중인 경우, 공기 압축기(30)가 작동하면 공기 압축기(30)의 입구 측의 압력 저하에 의해 통풍 밸브(90)는 분기관(70)을 향하는 방향으로 이동하여 분기관(70)을 폐쇄할 수 있다(도 8 참조). 분기관(70)이 폐쇄되면 실시예 1과 같이 스택 하우징(20)의 외부의 공기가 통풍 필터(60), 통공(50), 중공(25) 및 통풍관(40)을 따라 유동하며 스택 하우징(20)의 내부가 통풍될 수 있다.

그리고 도 7과 같이 연료전지 시스템의 작동이 정지된 경우, 통풍 밸브(90)는 분기관(70)을 향하는 방향의 반대방향으로 이동하여 분기관(70)을 개방할 수 있다(도 9 참조). 따라서 공기 압축기(30)가 작동을 멈추면 실시예 1과 같이 통풍 필터(60) 또는 통공(50)을 통해 공기가 출입하여 스택 하우징(20)의 내부가 통풍될 수 있을 뿐만 아니라, 중공(25)이 분기관(70)을 통해서도 스택 하우징(20)의 외부와 통할 수 있기 때문에 보다 원활하게 스택 하우징(20)의 내부가 통풍될 수 있다.

이하에서는 도 8 및 도 9를 참조하여, 통풍 밸브(90)에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 통풍 밸브(90)는 폐쇄부(91)와 복원부(96)를 포함할 수 있다.

먼저 폐쇄부(91)는 공기 압축기(30)의 작동에 따라 발생하는 공기 압축기(30)의 입구 측의 압력 저하에 의해 분기관(70)을 향하는 방향으로 이동될 수 있다. 폐쇄부(91)가 분기관(70)을 향하는 방향으로 이동하면 분기관(70)과 중공(25) 사이의 통로를 폐쇄할 수 있다.

보다 구체적으로 폐쇄부(91)는 이동부재(92), 피가압부재(93) 및 차단부재(94)를 포함할 수 있다.

이동부재(92)는 평판 형상으로 형성되고, 분기관(70)의 폭보다 큰 폭을 가질 수 있다. 공기 압축기(30)의 작동에 의해 폐쇄부(91)가 분기관(70)을 향하는 방향으로 이동하면, 이동부재(92)는 분기관(70)과 중공(25) 사이의 통로를 폐쇄할 수 있다.

피가압부재(93)는 이동부재(92)의 중심 부근에서 분기관(70)을 향하는 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어 분기관(70)의 내부로 연장될 수 있다. 피가압부재(93)는 후술할 탄성부재(97)에 의해 지지되는 부분일 수 있다.

차단부재(94)는 분기관(70)과 중공(25) 사이의 통로를 차단할 수 있다. 즉, 이동부재(92)와 스택 하우징(20)의 내면 사이로 공기가 유동하는 것을 차단할 수 있다. 차단부재(94)는 고무 재질로 형성될 수 있다.

차단부재(94)는 이동부재(92)의 분기관(70) 측 면(A)에 형성되거나, 또는 스택 하우징(20)의 내면 중 이동부재(92)가 분기관을 향하는 방향으로 이동했을 때 이동부재(92)와 만나는 영역(B)에 형성될 수 있다. 이동부재(92)가 분기관(70)을 향하는 방향으로 이동하면 차단부재(94)는 이동부재(92)의 분기관(70) 측 면(A)과 스택 하우징(20)의 내면(B) 사이에 개재되어, 분기관(70)과 중공(25) 사이의 통로로 공기가 유동하는 것을 차단할 수 있다.

다음으로 복원부(96)는 공기 압축기(30)가 작동하지 않을 때 폐쇄부(91)를 분기관(70)을 향하는 방향의 반대방향으로 이동시킬 수 있다. 즉 연료전지의 운전이 정지되었을 때 복원부(96)에 의해 분기관(70)이 개방될 수 있다.

보다 구체적으로 복원부(96)는 탄성부재(97)와 지지부재(98)를 포함할 수 있다.

탄성부재(97)는 피가압부재(93)의 이동에 따라 압축되거나 복원될 수 있다. 공기 압축기(30)가 작동하면 피가압부재(93)는 분기관(70)을 향하는 방향으로 이동할 것이고, 이에 따라 탄성부재(97)는 압축될 수 있다.

지지부재(98)는 탄성부재(97)가 압축될 때 탄성부재(97)를 지지하기 위해 분기관(70)의 내부에 형성될 수 있다. 그 형상에는 특별한 제한이 없다. 공기 압축기(30)가 작동하지 않으면 탄성부재(97)는 지지부재(98)에 의해 지지되며 복원될 수 있고, 탄성부재(97)의 복원력에 의해 피가압부재(93)가 원래의 위치로 복원되어 분기관(70)이 개방될 수 있다.

이와 같은 구성을 통해, 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 시스템이 운전하고 있을 때는 스택 하우징(20)의 외부의 공기가 공기 압축기(30)의 입구 측으로 유입되면서 스택 하우징(20)의 내부에 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 연료전시 시스템의 운전이 정지되었을 때는 통풍관(40), 통공(50) 및 통풍 필터(60)뿐만 아니라 분기관(70)을 통해서도 스택 하우징(20)의 외부와 중공(25)이 통풍될 수 있으므로, 스택 하우징(20)의 내부에 수분이 응축되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 연료전지의 운전 중에 연료전지 스택(10)의 부품에서 휘발성 유기화합물이 발생할 수도 있는데, 이는 연료전지 스택(10)의 성능을 일시적 또는 영구적으로 저하시킬 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지의 운전이 정지되었을 때 중공(25)이 분기관(70)을 통해 외부와 통할 수 있으므로 휘발성 유기화합물이 스택 하우징(20)의 외부로 배출시켜, 연료전지 스택(10)의 성능 저하를 방지할 수 있다.

또한, 연료전지 스택(10)의 공기극 측에 기밀 불량이 있는 경우, 다습한 공기가 유출되어 연료전지 스택(10)의 부품이 부식되거나, 다습한 공기가 공기 압축기(30)로 공급되어 공기 압축기(30)에 손상을 가져올 수 있는데, 다습한 공기 역시 연료전지의 운전이 정지되었을 때 외부로 배출될 수 있으므로, 연료전지 스택(10)의 부식 또는 공기 압축기(30)의 손상을 저감할 수 있다.

또한, 스택 하우징(20)에는 공기보다 가벼운 수소가 응축되어 상단부에 집중되어 있을 수 있는데 이는 폭발을 야기할 수 있으므로 매우 위험할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템은, 수소 측정 센서(미도시)와 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

수소 측정 센서는 스택 하우징(20)의 내부에 구비되어, 중공(25)에 존재하는 수소의 농도를 측정할 수 있다. 수소는 가벼워서 상단에 집중될 수 있기 때문에 수소 측정 센서는 스택 하우징(20)의 상단 측에 마련되는 것이 바람직할 수 있다.

제어부는 공기 압축기(30)의 작동을 제어할 수 있고, 수소 측정 센서에 의해 측정된 수소의 양이 기준 값을 초과하면, 공기 압축기(30)가 작동되도록 제어할 수 있다. 여기서 기준 값이란 중공(25)에 집중된 수소의 양이 위험한 수치라고 판단되어 기 설정된 값을 말한다.

제어부는 수소 측정 센서에 의해 측정된 값에 따라 공기 압축기(30)가 작동되도록 제어하여, 스택 하우징(20)의 내부를 통풍시킴으로써 중공(25)에 존재하는 수소를 제거할 수 있다.

연료전지의 운전 중에는 수소가 연료전지 스택(10)의 내부를 흐르고 있어 수소 측정 센서에 의해서 정확한 수치가 측정되지 않을 우려도 있으므로, 연료전지의 작동이 정지됐을 때도 수소를 외부로 배출시키는 것이 바람직할 수 있다. 운전이 정지되었을 때는 중공(25)이 분기관(70)을 통해 외부와 통함으로써, 수소가 외부로 배출될 수 있다.

분기관(70) 및 통풍 밸브(90)는 복수 개 마련될 수 있고, 복수 개 마련되면 보다 효과적으로 퉁풍이 이루어질 수 있다.

실시예 3

도 10은 본 발명의 실시예 3에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다. 이하에서는 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예 3에 따른 연료전지 시스템에 대해 설명한다.

본 발명의 실시예 3에 따른 연료전지 시스템은 공기 필터(80)를 더 포함할 수 있다. 공기 필터(80)는 공기 압축기(30)로 공급되는 공기에 포함된 이물질을 제거할 수 있다. 이를 위해 공기 필터(80)는 공기 압축기(30)의 입구 측에 구비될 수 있다.

그리고 통풍관(40)은 중공(25)과 공기 필터(80)의 입구 측이 연결되도록 마련될 수 있다. 스택 하우징(20) 내부에 기 존재하던 이물질이 있는 경우 또는 이물질이 공기 필터(80) 또는 통풍 필터(60)에서 필터링되지 못하고 스택 하우징(20)의 내부로 유입된 경우, 공기 압축기(30)의 작동에 따라 이물질이 공기 압축기(30)의 입구 측으로 공급될 수 있고, 이는 공기 압축기(30)에 치명적인 손상을 가져올 수 있다. 따라서 통풍관(40)을 통해 공기 압축기(30)의 입구 측으로 유입되던 이물질이 공기 필터(80)의 입구 측으로 먼저 유입되어 제거되도록 할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 연료전지 스택
20: 스택 하우징
25: 중공
30: 공기 압축기
40: 통풍관
50, 50': 통공
60: 통풍 필터
61: 필터부재
63: 프레임
65: 실링부재
67: 커버
68: 유입구
69: 가림막
70, 70': 분기관
80: 공기 필터
90, 90': 통풍 밸브
91: 폐쇄부
92: 이동부재
93: 피가압부재
94: 차단부재
96: 복원부
97: 탄성부재
98: 지지부재

Claims

공기극과 연료극을 구비하는 연료전지 스택;
내부에 중공이 형성되고, 상기 중공에 상기 연료전지 스택을 수용하는 스택 하우징;
상기 공기극으로 공기를 공급하기 위해 공기를 압송하는 공기 압축기;
상기 공기 압축기의 입구 측과 상기 중공을 연결하는 통풍관; 및
상기 스택 하우징의 외벽에 구비되어 상기 중공과 상기 스택 하우징의 외부를 통하게 하는 적어도 하나의 통공을 포함하고,
상기 공기 압축기의 작동에 따라 발생하는 상기 공기 압축기의 입구 측의 압력 저하에 의해, 상기 스택 하우징의 외부의 공기가 상기 통공, 중공, 통풍관을 통과하여 상기 공기 압축기의 입구 측으로 흡입되면서 상기 스택 하우징의 내부가 통풍되는, 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 스택 하우징의, 상기 통공이 구비된 위치와 대응되는 위치에 결합된 통풍 필터를 더 포함하고,
상기 통풍 필터는, 액체 및 이물질이 상기 스택 하우징의 외부로부터 상기 중공으로 유입되는 것을 방지 가능한, 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 외부의 공기가 상기 중공을 통과하면서 상기 연료전지 스택을 지나가기 위해, 상기 통풍관과 상기 통공은, 상기 연료전지 스택을 사이에 두고 반대편에 위치하는, 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 공기 압축기의 입구 측과 상기 중공을 연결하는 적어도 하나의 분기관과, 상기 중공과 상기 분기관 사이에 마련되어 상기 분기관과 상기 중공 사이의 통로를 개폐하는 통풍 밸브를 더 포함하고,
상기 통풍 밸브는, 상기 공기 압축기가 작동하지 않으면 상기 통로를 개방하고, 상기 공기 압축기가 작동하면 상기 통로를 폐쇄하는, 연료전지 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 통풍 밸브는, 상기 공기 압축기의 작동에 따라 발생하는 상기 공기 압축기의 입구 측의 압력 저하에 의해 상기 분기관을 향하는 방향으로 이동되어 상기 통로를 폐쇄하는 폐쇄부와, 상기 공기 압축기가 작동하지 않으면 상기 폐쇄부를 상기 분기관을 향하는 방향의 반대방향으로 이동시켜 상기 통로를 개방시키는 복원부를 포함하는, 연료전지 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 폐쇄부는, 상기 분기관의 폭보다 큰 폭을 가지는 평판 형상의 이동부재, 상기 이동부재에서 상기 분기관을 향하는 방향으로 연장된 피가압부재 및 상기 이동부재의 상기 분기관 측 면 또는 상기 스택 하우징의 내면 중 상기 이동부재가 상기 분기관을 향하는 방향으로 이동했을 때 상기 이동부재와 만나는 영역에 형성되어 상기 통로를 차단하는 차단부재를 더 포함하는, 연료전지 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 복원부는, 상기 공기 압축기가 작동하면 상기 피가압부재가 상기 분기관을 향하는 방향으로 이동함에 따라 압축되고, 상기 공기 압축기가 작동하지 않으면 복원되며 상기 피가압부재를 상기 분기관을 향하는 방향의 반대방향으로 이동시키는 탄성부재와, 상기 분기관의 내부에 형성되어 상기 탄성부재를 지지하는 지지부재를 더 포함하는, 연료전지 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 통풍 필터는, 액체는 통과하지 못하되 기체는 통과 가능한 필터부재와, 상기 필터부재를 고정시키는 프레임을 포함하고,
상기 필터부재는, 주름진 형상으로 형성되며,
상기 프레임은, 상기 프레임의 상기 스택 하우징 측 테두리를 따라 결합되어 상기 프레임의 상기 스택 하우징 측 면과 상기 스택 하우징의 외면 사이로 이물질이 유입되는 것을 방지하는 실링부재를 포함하는, 연료전지 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 통풍 필터는, 상기 프레임에 결합되며 상기 필터부재가 외부로 노출되는 것을 차단하는 커버를 더 포함하고,
상기 커버는, 공기가 유입되는 유입구와, 상기 유입구의 형성 위치에 대응되는 위치에서, 상기 유입구보다 상기 커버의 내측으로 소정 간격 이격되게 마련되어 상기 유입구로 유입되는 액체 또는 이물질의 이동 경로를 차단하는 가림막을 포함하는, 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 공기 압축기의 입구 측에 구비되고, 상기 공기 압축기로 공급되는 공기에 포함된 이물질 제거하는 공기 필터를 더 포함하고,
상기 통풍관은, 상기 중공과 공기 필터의 입구 측을 연결하는, 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 스택 하우징의 내부에 구비되어, 상기 중공에 존재하는 수소의 농도를 측정하는 수소 측정 센서와, 상기 공기 압축기의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 수소 측정 센서에 의해 측정된 수소의 양이 기준 값을 초과하면, 상기 스택 하우징의 내부를 통풍시켜 상기 중공에 존재하는 수소를 제거하기 위해, 상기 공기 압축기가 작동되도록 제어하는, 연료전지 시스템.
내부에 연료전지 스택을 수용하기 위한 중공을 포함하는 본체;
상기 본체에 구비되고, 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하기 위한 공기 압축기의 입구 측과 상기 중공을 연결하는 통풍관이 연결되는 제1 구멍; 및
상기 본체에 구비되고, 상기 중공과 외부를 통하게 하는 통공을 포함하고,
상기 공기 압축기의 작동에 따라 발생하는 공기 압축기의 입구 측의 압력 저하에 의해, 상기 본체의 외부의 공기가 상기 통공, 중공, 제1 구멍을 통해 상기 공기 압축기의 입구 측으로 흡입되면서 내부가 통풍되는, 연료전지 스택 하우징.
청구항 12에 있어서,
상기 공기 압축기의 입구 측과 상기 중공을 연결하는 적어도 하나의 분기관이 연결되는 제2 구멍과, 상기 제2 구멍을 개폐하는 통풍 밸브를 더 포함하고,
상기 통풍 밸브는, 상기 공기 압축기가 작동하지 않으면 상기 제2 구멍을 개방하고, 상기 공기 압축기가 작동하면 상기 제2 구멍을 폐쇄하는, 연료전지 스택 하우징.